ZASTOSOWANIE MODUŁU PELTIERA W INśYNIERII ROLNICZEJ

Transkrypt

1 InŜynieria Rolnicza 12/2006 Jerzy Langman, Norbert Pedryc, Bogusława Łapczyńska-Kordon Katedra InŜynierii Mechaniczacznej i Agrofizyki Akademia Rolnicza Kraków ZASTOSOWANIE MODUŁU PELTIERA W INśYNIERII ROLNICZEJ Wstęp Streszczenie W niniejszej pracy podjęto badania mające na celu przebadanie modułu Peltiera pod kontem zastosowań w inŝynierii rolniczej i agrofizyce. Określono najniŝszą temperaturę, jaką osiągnęła chłodzona powierzchnia modułu przy róŝnych natęŝeniach prądu. Przykładowo obliczono czas chłodzenia 10 l mleka w adiabatycznym zbiorniku oraz powierzchnię wymiany ciepła pomiędzy modułem a cieczą. Słowa kluczowe: moduł Peltiera, strumień ciepła, wymiana ciepła Moduł Peltiera to rodzaj kanapki, w której pomiędzy dwoma zewnętrznymi okładzinami ceramicznymi rozmieszczono ułoŝone naprzemiennie kostki półprzewodników typu n i p (tellurek bizmutu). Kostki łączą się ze sobą elektrycznie za pomocą cienkich miedzianych mostków tak, aby prąd stały płynął po kolei przez wszystkie półprzewodniki (rys. 1). Rys. 1. Fig. 1. Budowa modułu Peltiera Peltier module structure %,(

2 =Xeml?TaZ`Taþ AbeUXeg CXWelVþ 5bZhfÄTjT utcvmlåf^t >bewba Dzięki efektowi opisanemu przez Peltiera prąd elektryczny powoduje chłodzenie jednej ze stron termomodułu oraz ogrzewanie strony przeciwnej. Wraz ze wzrostem natęŝenia prądu efekt rośnie aŝ do nasycenia, natomiast zmiana biegunowości zasilania powoduje zamianę strony zimnej na ciepłą i odwrotnie. Działanie modułu Peltiera związane jest przynajmniej z pięcioma zjawiskami fizycznymi, z których zjawisko odkryte przez Peltiera jest najwaŝniejsze. Dwa z nich mają negatywny wpływ i właśnie one decydują o praktycznie uzyskiwanych parametrach modułu Peltiera. Są to: efekt Joule'a oraz zjawisko przewodzenia ciepła, pozostałe dwa zjawiska: Seebecka i Thomsona odgrywają mniej waŝną rolę. Efekt Joule'a to wydzielanie się ciepła podczas przepływu prądu przez przewodnik o niezerowej rezystancji. Przy przepływie prądu będzie się w tej rezystancji wydzielać ciepło jest to tak zwane ciepło Joule'a. Wydzielana moc będzie równa: P = I 2 *R W miarę zwiększania prądu, liniowo rośnie transport ciepła wynikający ze zjawiska Peltiera. Jednocześnie jednak proporcjonalnie do drugiej potęgi prądu (Q = I 2 *R) rośnie ilość wydzielonego ciepła Joule'a. PoniewaŜ ze wzrostem prądu te szkodliwe ilości ciepła rosną szybciej niŝ ilość ciepła pompowanego przez moduł, więc przy zwiększaniu prądu wystąpi w pewnym momencie szczególna sytuacja, gdy ilość pompowanego poŝytecznego ciepła Peltiera będzie równa ilości szkodliwego ciepła Joule'a. Przy takim prądzie strona zimna ogniwa nie będzie juŝ pobierać ciepła z zewnątrz, bo wszystkie moŝliwości transportowe modułu będą wykorzystywane na wypompowanie z modułu ciepła szkodliwego. Ilustruje to poniŝszy wykres (rys. 2): Rys. 2. Fig. 2. Charakterystyka modułu Peltiera Peltier module characteristics %,)

3 MTfgbfbjTa\X `bwhäh CX_g\XeT!!! Prosta 1 reprezentuje moŝliwości transportu ciepła, a krzywa 2 ilości ciepła Joule'a, wydzielane pod wpływem płynącego prądu. Rzeczywiste moŝliwości transportu ciepła uŝytecznego, z jednej strony modułu na drugą (czyli w sumie interesująca nas moc chłodzenia), będą więc róŝnicą moŝliwości transportowych i szkodliwego ciepła Joule'a. Te rzeczywiste moŝliwości przedstawia krzywa 2. Krzywa ta udowadnia, Ŝe nie moŝemy nadmiernie zwiększać prądu I, bowiem powyŝej wartości Imax rzeczywista skuteczność chłodzenia zmniejsza się. Przy wartościach prądy powyŝej I Y moduł wcale nie będzie chłodził - obie strony będą się grzać, z tym Ŝe jedna strona będzie gorętsza od drugiej. Dla kaŝdego modułu Peltiera określa się jakiś prąd maksymalny Imax, którego nie naleŝy przekraczać, bo tylko pogorszy to uzyskiwany efekt chłodzenia. Wartość prądu Imax jest jednym z najwaŝniejszych parametrów modułu Peltiera. Metodyka badań Przedmiotem badań był moduł Peltiera TM o następujących parametrach: moc 36 [W] przy zasilaniu prądem o napięciu 15.5 [V], maksymalny pobór prądu Iy = 4.0 [A], moc odprowadzana 36 [W], wymiary 40X40X3.8 [mm], maksymalna róŝnica temperatur ÄT = 83[oC]. Celem badań było określenie podstawowych charakterystyk modułu TM zasilanego prądem I y wynikającego z oporności wewnętrznej modułu oraz doświadczalne określenie wartości prądu I max, przy którym oddziaływanie efektu Joule a będzie mniejsze niŝ oddziaływanie efektu Peltiera, co objawi się stabilizacją temperatury po stronie zimnej. Widok przygotowanego do badań modułu TM przedstawiono na rys. 3. Rys. 3. Fig. 3. Moduł Peltiera przygotowany do badań Peltier module prepared for tests %,*

4 =Xeml?TaZ`Taþ AbeUXeg CXWelVþ 5bZhfÄTjT utcvmlåf^t >bewba Po stronie gorącej modułu zamontowano radiator z wentylatorem celem intensywnego odprowadzania ciepła, natomiast po stronie zimnej zamontowano korpus rurowego wymiennika ciepła wykonanego z włókien węglowych wraz z elektronicznym czujnikiem temperatury. Pomiędzy Ŝeberkami radiatora zamontowany jest drugi czujnik temperatury do ciągłego pomiaru temperatury strony gorącej. Jako czujniki temperatury zastosowano układy LM35 będące zlinearyzowanymi przetwornikami temperatury o rozdzielczości pomiarowej 10mV/ o C. Podczas pomiarów wykorzystano komputerowy układ pomiarowy słuŝący zarówno do wizualizacji wyników pomiarów jak i do archiwizacji uzyskanych danych. System pomiarowy wyposaŝono w dedykowany program sterujący, który posiada jeszcze wbudowany moduł alarmu włączający się po przekroczeniu temperatury 130 o C. Temperatura 130 o C jest graniczną temperaturą dla tego typu modułów. Podczas pomiarów strona zimna nie była izolowana od otaczającej atmosfery, co powodowało ciągłe odprowadzanie ciepła ze strony zimnej. Na rys. 4 i 5 przedstawiono uzyskane przykładowe charakterystyki modułu Peltiera Tempratura [deg C] strona zimna strona gorąca Błąd! Czas [s] Rys. 4. Fig. 4. Charakterystyka modułu Peltiera zasilanego prądem I y =3,45 A, napięcie 11,2 V Characteristics of Peltier module supplied with I y =3.45A current, voltage 11.2 V %,+

5 MTfgbfbjTa\X `bwhäh CX_g\XeT!!! Jak widać na rys. 4 temperatura zimnej strony modułu Peltiera początkowo maleje, a po krótkim okresie stabilizacji zaczyna wzrastać. Spowodowane jest to wydzielaniem duŝej ilości ciepła Joule'a na skutek przepływu prądu elektrycznego przez moduł. NatęŜenie prądu przepływającego przez moduł wynikało z oporności wewnętrznej modułu. Na rys. 5 przedstawiono charakterystykę modułu zasilanego prądem o obniŝonym natęŝeniu do takiej wartości, przy którym ilość wydzielanego ciepła Joule'a jest niŝsza od ilości ciepła wypompowanego na skutek zjawiska Peltiera. Objawia się to stabilizacją temperatury zimnej strony modułu Peltiera Temperatura [deg C] strona zimna strona gorąca Błąd! Czas [s] Rys. 5. Fig. 5. Charakterystyka modułu Peltiera zasilanego I max =1,34A, napięcie prądu 11,2 V Characteristics of Peltier module supplied with I max =1,34A current, voltage 11.2 V Przykład zastosowania modułu Peltiera w inŝynierii rolniczej Zastosowanie modułów Peltiera w praktyce jest ułatwione, gdyŝ oprócz doprowadzenia prądu do zasilania nie wymagają skomplikowanych instalacji jak to jest w przypadku klasycznych instalacji chłodniczych. Moduły te moŝna łączyć ze sobą powiększając wielkość powierzchni chłodzonej. Do podstawowych zastosowań moŝna zaliczyć: %,,

6 =Xeml?TaZ`Taþ AbeUXeg CXWelVþ 5bZhfÄTjT utcvmlåf^t >bewba budowę laboratoryjnych komór chłodzących o moŝliwości precyzyjnego ustawiania temperatury poprzez regulację wielkości prądu zasilającego moduły Peltiera, płytowe, przepływowe urządzenia schładzające ciecze np. mleko po udoju, płytowe urządzenia schładzające materiałów sypkich przed ich zamraŝaniem w tunelach zamraŝalniczych, co w znacznym stopniu przyspieszy sam proces zamraŝania, budowę precyzyjnych wzorców temperatury odniesienia, budowę przenośnych systemów klimatyzacyjnych dla małych pomieszczeń, punktowe schładzanie wydzielających duŝe ilości ciepła węzły konstrukcyjne linii technologicznych, chłodzenie elementów elektronicznych stanowiące wyposaŝenie maszyn rolniczych lub linii technologicznych przetwórstwa spoŝywczego. Jednym ze sposobów zastosowania w inŝynierii rolniczej jest wykorzystanie takich modułów do wstępnego schładzania mleka. Przykładowe obliczenie będzie dotyczyło czasu schładzania za pomocą omawianego modułu Peltiera 20 l mleka. Mleko zaraz po udoju ma temperaturę około 35 o C i naleŝy je schłodzić do temperatury 8 o C, Ŝeby zapobiec niepoŝądanym procesom. W badanym module najniŝsza temperatura strony zimnej wyniosła 10 o C, dlatego te obliczenia będą dotyczyły tylko wstępnego schładzania. Calkowity strumień ciepła wydzielany module jest sumą ciepła Peltiera Q P i ciepła Joula Q J [Bobrowski 1998]:. Q = Q P + Q J (1). 2 Q = C pi + αri (2) gdzie: C p stała Peltiera, I natęŝenie prądu, A, R opór prądu, Ω, α współczynnik uwzględniający ilość ciepła przenikającego do złącza chłodzonego (α 0,5). JeŜeli zostanie przyjęte załoŝenie, Ŝe mleko znajduje się w zbiorniku dobrze izolowanym, to strumień ciepła oddawany do płytki przez mleko będzie równy zmianie entalpii mleka I w jednostce czasu τ: &##

7 MTfgbfbjTa\X `bwhäh CX_g\XeT!!! I Q. = Q. w = (3) τ Strumień ciepła wyprowadzonego z mleka odpowiada strumieniowi ciepła przejmowanego przez powierzchnię modułu [Szargut 1985]:. Q w = αa T ( T ) gdzie: A powierzchnia zimnego elementu modułu Peltiera, m 2, T śr średnia temperatura mleka w czasie schładzania, K, T p temperatura zimnej powierzchni modułu Peltiera, K, α współczynnik przejmowania ciepła, W/(m 2 K). Zmiana entalpii mleka jest równa [Szargut 1985]: śr p ( ) (4) I = Vρ c T 1 T 2 (5) gdzie: c ciepło właściwe mleka, J/(kgK), T 1, T 2 temperatura początkowa i końcowa mleka, K, V objętość mleka, m 3, ρ gęstość mleka, kg/m 3. Przyjmując obliczony współczynnik przejmowania ciepła α na podstawie liczb kryterialnych dla konwekcji swobodnej równy 18,45 W/(m 2 K) [Wiśniewski 1979], powierzchnię wymiany ciepła odpowiadającą powierzchni kontaktu modułu z chłodzonym mlekiem 0,0016 m 2, temperaturę powierzchni modułu 10 o C, mleka 35 o C, określony strumień ciepła oddawany przez mleko na podstawie równania (5) wyniósł 0,74 W. Zatem całkowity czas schładzania 20 l mleka w zbiorniku adiabatycznym moŝna określić następującą zaleŝnością: I τ = (6) Q w Po podstawieniu wartości czas schładzania załoŝonej objętości mleka trwał by około 1 h 28 min. Analizując jednak czas, po jakim moduł osiągnął temperaturę 10 o C i biorąc pod uwagę, Ŝe dalsze działanie modułu powodowało wzrost temperatury powierzchni wychładzanej. Konieczne jest zatem zastosowanie większej liczby takich modułów, tak, aby moŝna było schładzać produkt w krótszym czasie, uwzględniając jednak koszty takich układów. &#$

8 =Xeml?TaZ`Taþ AbeUXeg CXWelVþ 5bZhfÄTjT utcvmlåf^t >bewba Podsumowanie Na podstawie otrzymanych wyników badań modułu Peltiera TM moŝna stwierdzić, Ŝe obniŝając natęŝenie prądu przy takim samym napięciu obniŝa się temperatura powierzchni chłodzonej modułu. ZauwaŜono, Ŝe przy natęŝeniu prądu 1,35 A temperatura powierzchni chłodzonej po 100 s zaczęła wzrastać. Dlatego naleŝy poszukać rozwiązań, które pozwolą na dłuŝsze schładzanie, bez negatywnych efektów. Przykładowe obliczony czas schładzania 20 l mleka za pomocą tego modułu przy natęŝeniu prądu 1,35 A byłby równy 43 min. Ze względu jednak na wzrost temperatury po 90 s, naleŝy poszukać rozwiązania, które pozwoli na zwiększenie wydajności takich systemów schładzania. Bibliografia Bobrowski Cz Fizyka krótki kurs. PWN, Warszawa. Szargut J Termodynamika. PWN, Warszawa. Wiśniewski B Wymiana ciepła. PWN, Warszawa. APPLICATION OF PELTIER MODULE IN AGRICULTURAL ENGINEERING Summary The work presents research undertaken in order to check the Peltier module for possible application in agricultural engineering and agricultural physics. Carried out analysis allowed to determine lowest temperature reached by cooled module surface at various current intensity values. As an example, researchers calculated cooling time for 10 litres of milk in an adiabatic vessel and heat exchange surface area between the module and liquid. Key words: Peltier module, heat stream, heat exchange &#%